專利名稱：半導(dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有至少在半導(dǎo)體基片內(nèi)延伸的Pn結(jié)的半導(dǎo)體元件，Pn結(jié)由從半導(dǎo)體基片的主面來滲入的，橫向限定的高摻雜區(qū)和包圍高摻雜區(qū)的低摻雜區(qū)構(gòu)成，并在高摻雜區(qū)的邊緣移到半導(dǎo)體基片的主晶面，在那里，保護區(qū)構(gòu)成高摻雜區(qū)的邊緣，摻雜濃度以與主面平行方向由高摻雜區(qū)向Pn結(jié)慢慢降低。
高反向電壓半導(dǎo)體元件在移到半導(dǎo)體基片表面的反向Pn結(jié)區(qū)內(nèi)，需要采用專門的措施以保護半導(dǎo)體元件的反向電阻與正向電阻之比。因為沒有這樣一些措施則表面擊穿在受反向電壓限制的體積擊穿之前早就發(fā)生，致使半導(dǎo)體元件的耐壓強度迅速下降。
由“避免半導(dǎo)體二極管邊緣效應(yīng)的方法”，P.A.Tove，J.Phys.DAppl.Phys，15(1982)一文所述發(fā)現(xiàn)，迄今為止已經(jīng)有許多各種這類的措施公知了，所有這些措施的目的是，使移到表面的反向Pn結(jié)區(qū)產(chǎn)生的最大的電場強度盡可能大的降低，以便使體積擊穿盡可能在表面擊穿之前發(fā)生。
現(xiàn)有的措施可以大致分為兩類，第一類包括預(yù)先規(guī)定表面的外形(研磨周邊形狀，蝕刻溝道)，第二類是，在完全沒有缺陷的表面情況時基于合適的內(nèi)摻雜結(jié)構(gòu)。
就具有顯微結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件而言，或者說就集成MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件而言，在其制造中可以采用分割技術(shù)，首先這樣的措施具有意義在于半導(dǎo)體基片的表面沒有損傷。這一類的例子是采用保護環(huán)結(jié)構(gòu)和VLD-結(jié)構(gòu)(VLD＝橫向摻雜變化)。只有當(dāng)保護環(huán)被精確地確定尺寸而且制造出來之后才能實現(xiàn)其予定的功能，因而VLD-結(jié)構(gòu)表明了一種強有力的抉擇途徑。
用VLD-結(jié)構(gòu)來提高耐壓強度是基于“橫向摻雜變化-避免平面結(jié)高壓擊穿的一種新概念”，(R.Stengl.andu.Gosele，IEEE1985，)已經(jīng)問世。在高摻雜區(qū)的邊緣雜質(zhì)濃度，在與半導(dǎo)體基片主面平行的方向由高摻雜區(qū)向低摻雜區(qū)呈線性降落。所說的這類VLD-結(jié)構(gòu)摻雜濃度的橫向梯度的制造方法是，用有槽或有缺口的掩模以精確一致的尺寸注入摻雜材料然后使雜質(zhì)在所摻入的位置擴散。
用這種方式制成的半導(dǎo)體元件其反向擊穿電壓可以達到體積擊穿電壓的90%左右。反向擊穿電壓的這個值與其他結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件的擊穿電壓相比是好的，但不是所理想的。這種VLD結(jié)構(gòu)制造中的問題是由P.A.Tove提供的制造方法，由于掩蔽稍微不均勻就會導(dǎo)致Pn結(jié)產(chǎn)生不希望有的彎曲，而使半導(dǎo)體元件的反向擊穿電壓降低。
本發(fā)明的目的是，提供一種半導(dǎo)體元件，至少在半導(dǎo)體基片內(nèi)有一延伸的Pn結(jié)，該Pn結(jié)由從半導(dǎo)體基片主面摻入的、橫向限定的高摻雜區(qū)和包圍高摻雜區(qū)的低摻雜區(qū)構(gòu)成。并在高摻雜區(qū)的邊緣移到半導(dǎo)體基片的主面，而且高摻雜區(qū)的邊緣由保護區(qū)構(gòu)成，其摻雜濃度在與主面平行方向，由高摻雜區(qū)向Pn結(jié)慢慢降低。這種半導(dǎo)體元件的反向擊穿電壓只由體積擊穿電壓限定，并容易制造。本發(fā)明的另一目的是提供一種制造這類半導(dǎo)體元件的方法。
本發(fā)明的解決方案是，高摻雜區(qū)附近的保護區(qū)有最大的滲入深度，而且保護區(qū)的最大滲入深度大于鄰近的高摻雜區(qū)的滲入深度。保護區(qū)的最佳實施形式表明，摻雜濃度在與主面平行的方向呈近似線性降低。
保護區(qū)的另一種最佳的實施形式是，摻雜濃度在與主面平行的方向呈階梯式下降，并至少為兩級臺階。
由于高摻雜區(qū)邊緣的Pn結(jié)是凹的，所以在臨界區(qū)域的最大電場強度減小了。由于Pn結(jié)在該區(qū)具有大的保護區(qū)滲透深度，主面垂直方向的摻雜梯度很小，因而有大的反向擊穿電壓。
下面通過最佳實施例，結(jié)合附圖對本發(fā)明詳細說明。


圖1，帶有按本發(fā)明的保護區(qū)的半導(dǎo)體元件的軸向截面圖，圖2a，帶有線性降低的摻雜濃度的按本發(fā)明的保護區(qū)摻雜濃度示意圖，圖2b，與圖2a對應(yīng)的半導(dǎo)體元件軸向截面的一個斷面，圖3a，有兩級臺階的按本發(fā)明的保護區(qū)的摻雜濃度示意圖，圖3b，與圖3a對應(yīng)的半導(dǎo)體元件軸向截面的一個斷面。
圖4a-f，帶有呈線性降低的摻雜濃度的保護區(qū)的半導(dǎo)體元件的制造工藝步驟示意圖，圖5a-e，用兩次注入工序構(gòu)成兩級摻雜保護區(qū)的半導(dǎo)體元件制造工藝步驟示意圖，和圖6a-c，用一次注入工序構(gòu)成兩級摻雜保護區(qū)的半導(dǎo)體元件制造工藝步驟示意圖。
在第一個實施例中描述一個有楔形摻雜保護區(qū)的半導(dǎo)體元件。
圖1給出了帶有本發(fā)明的保護區(qū)的半導(dǎo)體元件的軸向截面。為了盡可能清楚地描述發(fā)明的實質(zhì)，選擇高反向電壓的二極管作為半導(dǎo)體元件加以闡述。
低摻雜的半導(dǎo)體基片1，其雜質(zhì)濃度約為7.5×1013厘米-3。從半導(dǎo)體基片1的主面2向半導(dǎo)體基片內(nèi)滲入一個橫向限定的高摻雜區(qū)3。用這種方法，在高摻雜層3與包圍高摻雜區(qū)3的低摻雜的半導(dǎo)體基片1之間構(gòu)成一個高反向的Pn結(jié)5。
該實施例中，半導(dǎo)體基片1摻雜n-，高摻雜區(qū)3，摻雜P+。為使半導(dǎo)體基片1觸點引出，規(guī)定了接觸擴散區(qū)4，用已知的方法摻雜n+。
保護區(qū)6a和6b和高摻雜區(qū)3相連并構(gòu)成它的邊緣。它摻雜P-，并在主面2上構(gòu)成Pn結(jié)5。
圖2b顯示出圖1的斷面，橫座標(biāo)表示橫向延伸，以毫米(mm)標(biāo)示，橫座標(biāo)的零點任意選擇?？v座標(biāo)表示滲入深度，以微米(μm)標(biāo)示。橫座標(biāo)與半導(dǎo)體基片1的主面2一致。高摻雜區(qū)3在半導(dǎo)體基片1中的滲入深度約為15微米。保護區(qū)6b在基片中的滲入深度約70微米，其寬度b約0.6毫米。
圖2a示出沿半導(dǎo)體基片1的主面2的摻雜濃度的分布情況。橫座標(biāo)與圖2b相同?？v座標(biāo)表示摻雜濃度沿半導(dǎo)體基片1的主面2的情況。在高摻雜區(qū)3中，主面下的摻雜濃度約小于1018厘米-3。鄰接保護區(qū)6b的高摻雜區(qū)3的摻雜濃度從約1018厘米-3左右急劇降低至保護區(qū)6b的最大摻雜濃度1015厘米-3或更低。從這兒至保護區(qū)6b的外端，在主面2露出Pn結(jié)5。摻雜濃度在與主面平行的方向線性下降至半導(dǎo)體基片1的摻雜濃度給定值約7.5×1013厘米-3左右。
其優(yōu)點在于保護區(qū)6b的最大摻雜濃度限定在鄰接高摻雜區(qū)3的部分，摻雜濃度的大小不超過1015厘米-3，其寬度b約等于高摻雜區(qū)3下面相應(yīng)的低摻雜區(qū)厚度d(在半導(dǎo)體基片1的這種情況下)，而且它的最大滲入深度在40微米和80微米之間。
按照這種方式能得到以下優(yōu)點第一，高反向Pn結(jié)5在凹形區(qū)范圍內(nèi)摻雜濃度朝著保護區(qū)急劇下降。高電場強度能很簡單地繞過凸彎的Pn結(jié)。
第二，主面的垂直方向的小梯度，導(dǎo)致保護區(qū)6b與半導(dǎo)體基片1之間的Pn結(jié)5有所希望的高的反向耐壓強度。高反向耐壓強度與所選擇的大的保護區(qū)滲入深度有關(guān)。
第三，保護區(qū)的功能比起小的誤差來說更有力地不僅與摻雜濃度有關(guān)，也與滲入深度有關(guān)。
在第二種最佳實施例中，描述了有保護區(qū)的半導(dǎo)體元件，保護區(qū)的摻雜濃度在與主面平行的方向呈階梯形下降。半導(dǎo)體元件基本上又如圖1所示。僅僅是保護區(qū)6a和6b有如下所述的結(jié)構(gòu)。
圖3b表示圖1的一個斷面，橫座標(biāo)和縱座標(biāo)如圖2b所示。從圖中可以看出，高摻雜區(qū)3，低摻雜的半導(dǎo)體基片1，Pn結(jié)5和保護區(qū)6b。保護區(qū)6b分成與高摻雜區(qū)3相連的第一臺階7，和在保護區(qū)的一端，在主面2引出Pn結(jié)的第二級臺階8。第一級臺階7的滲入深度大際竅嗔詰母卟粼憂 的兩倍。第二級臺階8的滲入深度約小于第一級臺階7的滲入深度。
與圖2a相似，圖3a再次示出了沿著半導(dǎo)體基片1的主面2的摻雜濃度的分布。摻雜濃度約小于1018厘米-3的高摻雜區(qū)3鄰接保護區(qū)6b的P-摻雜的第一級臺階7，臺階7的摻雜濃度最好為1015厘米-3左右。第二級臺階8的摻雜濃度最好是第一級臺階7摻雜濃度的一半。兩級臺階的寬度大致相同。
上述的實施例有摻雜濃度約為1015厘米-3的第一級臺階7和摻雜濃度約為5×1014厘米-3的第二級臺階。第一級臺階的滲入深度約70微米，第二級臺階的滲入深度約60微米。每級臺階寬約0.5毫米。
按照本發(fā)明，保護區(qū)必須至少有兩個臺階。階梯形摻雜濃度可以認為是線性下降的摻雜濃度的近似形式。因此可以按以下的規(guī)則來確定臺階的大小選擇保護區(qū)的寬度，將保護區(qū)分成所需的臺階數(shù)，規(guī)定每級臺階的摻雜濃度值，是當(dāng)摻雜濃度呈線性下降時得到的，并作為每一級臺階的摻雜濃度最大值。
實踐證明，有兩級臺階就能基本上保證由于摻雜濃度線性下降所實現(xiàn)的優(yōu)點。實驗表明，帶有按本發(fā)明的只有兩級臺階的保護區(qū)的半導(dǎo)體器件，其體積擊穿正如所希望的發(fā)生在表面擊穿之前。
發(fā)明具有很大的實用性。很清楚，在實施例的一種改型中，選擇高摻雜區(qū)3為n+摻雜，半導(dǎo)體基片1為n-摻雜。在高摻雜區(qū)與半導(dǎo)體基片之間構(gòu)成Pn結(jié)并不是發(fā)明的實質(zhì)。更確切地說，發(fā)明可以用兩個擴散區(qū)構(gòu)成Pn結(jié)。高摻雜區(qū)的摻雜濃度總是在1017-1018厘米-3。
用簡單的二極管來闡明本發(fā)明，是作為更有指導(dǎo)作用的考慮，而不是其最好應(yīng)用。如一開始所述，發(fā)明主要是在有高反向Pn結(jié)的半導(dǎo)體元件如GTO-閘流晶體管或MOS控制閘流管的微觀結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)的?？梢砸话愕卣f，無論何處只要在主面露出高反向的Pn結(jié)的半導(dǎo)體元件的，就能表現(xiàn)出本發(fā)明的優(yōu)點。
上述發(fā)明不僅提供了帶高反向Pn結(jié)的半導(dǎo)體器件，也提供了這種半導(dǎo)體器件的制造方法。下面用上述的兩個實施例對這種制造方法更詳細地說明。首先說明制造帶有線性下降的摻雜濃度的保護區(qū)的制造方法。
圖4a-d給出了各個工藝過程。開始描述的是具有所希望的摻雜的半導(dǎo)體基片1。為了進行高摻雜區(qū)3的擴散，將半導(dǎo)體基片1的主表面2的預(yù)定位置用例如Sio2制成的掩模層9復(fù)蓋。采用RIE-法(RIE＝反應(yīng)離子刻蝕)，如專利申請CH1091/86所公開的方法，將預(yù)定的保護區(qū)位置的掩模層9刻蝕掉成楔形。將這種復(fù)有掩模層的半導(dǎo)體基片1在適當(dāng)?shù)哪芰肯伦⑷胨Ｍ碾s質(zhì)原子。確定能量大小的方法是，在楔形掩模層9的粗端阻止摻雜原子進入半導(dǎo)體基片內(nèi)(圖4d)。
在完全去除了掩模層9之后便露出了半導(dǎo)體基片1，該基片在保護區(qū)預(yù)定的區(qū)域內(nèi)具有一逐漸消逝的注入層10(圖4C)。在隨后的擴散處理中該注入層10將滲入所希望的深度(4d)。
在剛剛所述的制造方法的一種改型中，保護區(qū)部分的楔形掩模層9沒被去掉(圖4E)，那么，在隨后進行的擴散處理中，該楔形掩模層9就用作擴散源11(圖4F)。
為了制造帶臺階形摻雜濃度保護區(qū)的半導(dǎo)體元件，可以按如下所述的發(fā)明方法進行。這種方法的目的是制造一個兩級保護區(qū)，正如第二個實施例所述。
圖5a至5c描述的發(fā)明的基本工藝程序。半導(dǎo)體基片1的主面2用例如Sio2制成的掩模層9復(fù)蓋，只露出要構(gòu)成保護區(qū)的高摻雜的第一級臺階的主面2上的區(qū)域。用合適的能量和所希望的摻雜材料給半導(dǎo)體基片注入(圖5a)。以雜質(zhì)原子不能滲透掩模層9來確定所用能量的大小。除去掩模層9，其寬度以在主面2上露出保護區(qū)的整個面積為準(zhǔn)。進行第二次注入制造出生成第二級臺階8所需的注入層10(圖5b)。進行隨后的擴散處理之前去掉全部掩模層9。圖5C給出了最后完成的擴入的保護區(qū)6b。
注入處理時可以用兩個不同的能量代替兩個不同的掩模。圖5d和5e描繪了所需的工藝程序。主面2上預(yù)定為保護區(qū)低摻雜的第二級臺階8的范圍內(nèi)的掩模層9的厚度比其余部分掩模層的厚度薄。主面上預(yù)定的保護區(qū)高摻雜的第一級臺階7的范圍由掩模層9中空出。在兩個不同的能量下用雜質(zhì)原子注入。摻雜原子在適當(dāng)?shù)母吣芰肯聺B透第二級臺階8范圍內(nèi)的掩模層9，在低能量下?lián)诫s原子不能穿透。保護層預(yù)定范圍之外的掩模層9是足夠地厚，以使在高能量下?lián)诫s原子也不能滲透掩模層9。按上述方法將掩模層9完全去除并進行擴散處理(圖5C)。
第三種方法，用以制造帶臺階形摻雜濃度的半導(dǎo)體元件的最佳方法，其中低摻雜的作為保護區(qū)第二級臺階區(qū)內(nèi)采用了擴散源。
圖6a-c描繪了發(fā)明的主要工藝程序。半導(dǎo)體基片1的主面2用掩模層9復(fù)蓋，只讓保護區(qū)第一級臺階的預(yù)定區(qū)空出。在不允許雜質(zhì)原子滲透掩模層9的能量下進行摻雜原子的注入(圖6a)。將預(yù)定低摻雜的第二級臺階8的區(qū)域以外的掩模層9去掉(圖6b)。在隨后進行的擴散處理中，這些留下的掩模層9與注入進去的雜質(zhì)原子作為擴散源11。因此，擴散源11就制成了保護區(qū)的低摻雜的第二級臺階8(圖6C)。
現(xiàn)在雖然只詳細說明了帶有兩級臺階的摻雜保護區(qū)的半導(dǎo)體元件的制造方法，但并不是說本發(fā)明的制造方法的基本構(gòu)思不能用于制造三級或多級臺階的摻雜保護區(qū)。
用于制造本發(fā)明的保護區(qū)的本發(fā)明的制造方法可以被認為是獨立的，是與實現(xiàn)本半導(dǎo)體器件無關(guān)的方法。也就是說這種方法可以列入普通的制造工藝程序(例如注入、擴散)。
最后可以認為，本發(fā)明提供了一種很有效的措施，防止在高反向電壓下，半導(dǎo)體基片的主面上呈現(xiàn)的Pn結(jié)的表面擊穿。
附圖名細表1半導(dǎo)體基片2主面3高摻雜區(qū)4接觸擴散5Pn結(jié)6a，6b保護區(qū)7第一級臺階8第二級臺階9掩模層10注入層11擴散源b寬度d厚度
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體元件，至少有一個在半導(dǎo)體基片(1)內(nèi)延伸的Pn結(jié)(5)，Pn結(jié)(a)由半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)滲入的、橫向限定的高摻雜區(qū)(3)和包圍高摻雜區(qū)(3)的低摻雜區(qū)構(gòu)成，并(b)在高摻雜區(qū)(3)的邊緣移到半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)，(c)高摻雜區(qū)(3)的邊緣由保護區(qū)(6a，6b)構(gòu)成，其摻雜濃度，在與主面(2)的平行方向，從高摻雜區(qū)(3)對著Pn結(jié)(5)慢慢下降，其特征在于，(d)鄰近高摻雜區(qū)(3)的保護區(qū)(6a，6b)有最大的滲入深度，和(e)保護區(qū)(6a、6b)的最大滲入深度大于相鄰的高摻雜區(qū)(3)的滲入深度。
2.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體元件，其特征在于，a)；で a，6b)有最大摻雜濃度，其值原則上不超過1015厘米-3，b)保護區(qū)(6a，6b)的寬度(b)與低摻雜區(qū)的厚度(d)相同，和c)保護區(qū)(6a，6b)的最大滲入深度不小于40微米不大于80微米。
3.按照權(quán)利要求2的半導(dǎo)體元件，其特征在于，保護區(qū)(6a，6b)的摻雜濃度在與主面(2)平行的方向呈近似線性下降。
4.按照權(quán)利要求2的半導(dǎo)體元件，其特征在于，保護區(qū)(6a，6b)的摻雜濃度在與主面(2)平行的方向呈階梯形下降，并至少由兩級臺階構(gòu)成。
5.按照權(quán)利要求4的半導(dǎo)體元件，其特征在于，由正好是兩級臺階構(gòu)成的保護區(qū)(6a，6b)中，第二級臺階(8)的摻雜濃度是鄰近高摻雜區(qū)(3)的第一級臺階(7)的摻雜濃度的大約一半。
6.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于，a)半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)上保護區(qū)(6a，6b)的區(qū)域用一楔形掩模層(9)復(fù)蓋，b)用適當(dāng)?shù)哪芰孔⑷腚s質(zhì)原子，在楔形掩模層(9)的粗端阻止摻雜原子進入半導(dǎo)體基片(1)內(nèi)，c)在隨后進行的擴散處理之前除去掩模層(9)。
7.按照權(quán)利要求3所述半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于，a)半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)上保護區(qū)(6a，6b)的區(qū)域用一楔形掩模層(9)復(fù)蓋，b)用適當(dāng)?shù)哪芰孔⑷腚s質(zhì)原子。在楔形掩模層(9)的粗端阻止雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體基片(1)，和c)楔形掩模層(9)在隨后進行的擴散處理中作為擴散源(11)來使用。
8.按照權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于，a)在進行雜質(zhì)原子第一次注入時，半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)上第二級臺階(8)的區(qū)域用掩模層(9)復(fù)蓋，和b)在隨后進行雜質(zhì)原子第二次注入時，主面(2)上整個保護區(qū)(6a，6b)范圍的掩模層(9)是鏤空的。
9.按照權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于，a)半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)上第二級臺階(8)的區(qū)域用掩模層(9)復(fù)蓋，b)用適當(dāng)?shù)母吣芰孔⑷腚s質(zhì)原子，使雜質(zhì)原子穿過第二級臺階(8)區(qū)域的掩模層9滲入半導(dǎo)體基片(1)，和c)用適當(dāng)?shù)牡湍芰孔⑷腚s質(zhì)原子，使雜質(zhì)原子不能穿透第二級臺階(8)區(qū)域的掩模層(9)。
10.按照權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于，a)在進行雜質(zhì)原子注入時，半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)上第二級臺階(8)的區(qū)域，用掩模層(9)復(fù)蓋，和b)第二級臺階(8)區(qū)域內(nèi)的掩模層(9)，在隨后的擴散處理中用作擴散源(11)。
全文摘要
在一個半導(dǎo)體元件中，由從半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)滲入的橫向限定的高摻雜區(qū)(3)和包圍高摻雜區(qū)的低摻雜區(qū)構(gòu)成的pn結(jié)，pn結(jié)在半導(dǎo)體基片(1)的主面(2)上，在高摻雜區(qū)(3)的邊緣露出。高摻雜區(qū)(3)的邊緣由保護區(qū)(6b)構(gòu)成，其摻雜濃度以與主面(2)平行的方向以高摻雜區(qū)(3)對著pn結(jié)慢慢降低。由于鄰近高摻雜區(qū)(3)的保護區(qū)(6b)有最大的滲入深度，并且保護區(qū)(6b)的最大滲入深度大于鄰近的高摻雜區(qū)(3)的滲入深度，所以避免了pn結(jié)的表面擊穿。
文檔編號H01L29/749GK1034288SQ88107880
公開日1989年7月26日 申請日期1988年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月15日
發(fā)明者克里斯琴·C·阿巴斯, 彼得·羅格威勒 申請人:Bbc勃朗·勃威力有限公司